为什么我简单的升压转换器给我这么高的峰值输出电压？

我试图通过LTSpice中的仿真来了解开关模式电源的基本原理。

我想按照教科书中经常给出的教学模型来构建一个极其简单的升压转换器电路，但是我无法像我期望的那样使它完全正常工作，可能是因为实际情况大不相同：)

这是从LTSpice导出的示意图（请注意，它使用ISO符号；右侧的组件是电阻器）：

电源电压为5V，我正在寻求以1A的负载电流或12W的输出功率将其提高至12V。我选择了20kHz的开关频率。通过我的数学计算，我需要0.583的占空比来执行此操作，因此接通时间应为29.15 µs。假设效率为0.90，则输入功率为13.34W，输入电流为2.67A。

可能使我陷入困境的假设：

• 对于这么简单的设计，效率可能是完全不现实的，而且我的输入电流比我期望的要高得多。
• 最初，我不太在意波纹，因此我只是随机选择了电感器和电容器。
• 也许开关频率太小。

我以10ms的时间运行仿真（在图形中应该可见）。

我期望看到的是在2点（电感器和NMOS之间）的5V电压，可能有轻微波动，而在3点（二极管和电容器之间）的12V电压具有波纹。

取而代之的是，看起来像是整个混沌-我得到的峰值电压为23V，在第2点振荡约11.5V，而更低的峰值电压略高于22.5V，在第3点振荡约17V。

由于我的开关频率可能过低的预感，我尝试将其提高到200kHz（T = 5µs，Ton = 2.915µs），现在我得到的东西更像我想要的东西，即峰值电压为12.8V点2（在0V和0V之间振荡）和点3处的12V峰值（大约11.8V振荡）：

电压中有明显的纹波。我尝试将电感器的尺寸增加到100µH，但似乎影响的只是启动振荡。因此，我将电容增加到10µF，这似乎可行，点3的电压振荡小得多。上图是使用10pF电容器得到的结果。

那么，我的问题是：

• 我的原始模型有什么问题？
• 20kHz是一个完全不切实际的开关频率（看起来会很奇怪）吗？
• 如果我想要20kHz的开关频率，我该如何改变才能使电路按预期工作？更大的电感器？
• 当电路达到稳定状态时，输入侧的电压与输出侧的电压相似是正常的吗？
• 我应该使用什么方程式来确定电容器的尺寸？

您的升压工作在不连续导通模式或DCM（电感电流在每个开关周期变为零）中。占空比成为负载以及占空比的函数。如果增加负载，电感值或开关频率，则将达到您期望的调节点，这就是CCM或连续导通模式。电感电流不会降到零，而是持续流动。您的占空比公式将在此处有效。

对于升压转换器，20 kHz非常慢。14A峰值电感电流也是不现实的。大多数PFC升压转换器的工作频率为70至100 kHz。较低的变频器通常需要较大的电感器。如果要以20kHz实现CCM，则需要更大的升压电感值。在您的仿真中尝试470uH，您会看到电压接近12V。（如果模型中装有控制器，则无论CCM或DCM操作如何，它都会自动调整占空比以达到12V）。

由于您的转换器非常重视DCM，因此开关节点电压类似于输出电压。如果您更接近CCM，您会看到更清晰的画面。

对于此仿真，电容器的尺寸应确保开关导通时的电压骤降（由负载引起）不会过大。在现实生活中，您还必须考虑其他重要的参数（总体环路稳定性，纹波电流和额定寿命），以及正确的MOSFET选择，反向恢复和升压二极管的软度...

使用所选的组件值，确实更适合以200kHz频率运行。即使在200kHz时，我发现更合适的输出电容器也可能更像33uF或47uF。

如果使用没有指定等效串联电阻的理想电感器，那么我建议您尝试使用LTSpice库中的实际电感器之一，例如Coiltronics CTX10-3。那一个的DCR为0.028欧姆。这将有助于减少启动电流的初始浪涌。

还要注意的是，使用实际开关VR控制器进行的实际设计将具有软启动功能，该功能可以逐渐使PWM占空比达到其工作水平，而不会产生巨大的初始浪涌。控制器还将通过一个分压器监视输出电压，并将其与参考电压进行比较，以不断调节PWM占空比，从而调节输出电压。

我在LTspice中使用此电路也遇到了问题。我认为我的问题与您的问题不完全相同，但这是搜索“ ltspice boost转换器”时唯一不错的结果，因此我将在这里回答。

这是我做错的事情：

1. 我使用了通用的“ nmos”模型。没用 我不知道为什么，但是即使在奇怪的接通状态下，它似乎也具有很高的抵抗力。无论如何，修复它的方法是放置通用nmos，然后右键单击它，然后单击“选择新晶体管”，然后从列表中选择一个，例如IRFP4667。

2. 我的滤波电容太大了。这意味着输出电压需要几秒钟的时间才能稳定下来（在现实生活中很好，但在仿真中很烦人）。

这是我的最终电路：

详细信息（可能不重要）：

• 我给5V电压源一个1欧姆的串联电阻。
• 电感器的串联电阻为6欧姆。
• 脉冲序列参数为Ton = 8us，Toff = 2us（T = 10us; 100 kHz）。

如果有人知道为什么标准nmos模型不起作用，请通知我！

您说：“我想构建一个非常简单的升压转换器电路”。我想做同样的事情，并在LTSpice中建立了许多焦耳小偷，我把它归为同一类。步进焦耳小偷参数带来的很多有关升压转换器的信息。而且由于它是自我优化的，所以它几乎总是会做某事，并使您感觉电路的各个方面如何影响事物。这是一个焦耳小偷，您可以与之混为一谈：

所以，那是一种方式。但...

如果要将LTSpice中的焦耳小偷实验与类似食谱的方法链接起来，请查看ON Semi的一些34063数据表，例如MC34063A。下表提供了升压转换器，降压转换器和反向升压转换器的公式配方。

这是升压转换器的原理图：

这是公式表，从上到下逐步进行：

如果您交替使用这两个方向，我相信您可以“自学”一些想要获得的直觉。

我在LTSpice库中找不到MC34063，但是您可以从表中进行练习，然后从LTSPice库中拉出Joule Thief或任何升压转换器芯片，然后插入给定场景给您的组件，它应该接近您想要的，然后您可以对其进行调整。HTH。